Năm 2018, Bruce Jakosky (Đại học Colorado, trưởng nhóm khoa học tàu MAVEN) và Christopher Edwards (Đại học Bắc Arizona) công bố trên Nature Astronomy một bản kiểm kê toàn bộ CO₂ còn trên sao Hoả. Kết luận: lượng CO₂ có thể giải phóng bằng công nghệ khả thi chỉ đủ nâng áp suất khí quyển lên cỡ vài chục mbar, trong khi muốn làm ấm sao Hoả đủ cho nước lỏng bằng CO₂ thì cần cỡ 1 bar. Nói cách khác, sao Hoả không có đủ "nguyên liệu" để tự cải tạo bằng cách làm bốc hơi CO₂ của chính nó.
Câu hỏi mà nghiên cứu muốn trả lời
Từ thập niên 1970, kịch bản cải tạo sao Hoả phổ biến nhất dựa trên một giả định: sao Hoả còn rất nhiều CO₂ bị khoá trong băng cực, trong đất và trong đá. Chỉ cần làm ấm, khí đó sẽ thoát ra, khí quyển dày lên, giữ nhiệt tốt hơn, và quá trình tự đẩy nhau đi tiếp. Các nghiên cứu cũ như của McKay, Toon và Kasting (1991) đều nói rõ kịch bản phụ thuộc vào lượng CO₂ dự trữ, một con số khi đó còn chưa biết.
Sau hơn hai thập kỷ tàu quỹ đạo và xe tự hành đo đạc, đã đủ dữ liệu để làm phép cộng. Jakosky và Edwards gom số liệu từ các tàu Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Odyssey, Mars Express, MAVEN và các xe tự hành, ước lượng từng "kho" CO₂.
Bản kiểm kê các kho CO₂
| Kho CO₂ | Đóng góp ước tính nếu giải phóng | Khó khăn |
|---|---|---|
| Băng CO₂ ở chỏm cực (kể cả khối chôn sâu radar tìm thấy) | Khoảng gấp đôi áp suất hiện nay, lên cỡ 12–15 mbar | Tương đối dễ nhất, nhưng đóng góp nhỏ |
| CO₂ bám trên hạt đất (hấp phụ trong lớp regolith) | Có thể tới cỡ 40 mbar nếu lấy được hết | Phải nung nóng đất tới độ sâu lớn trên diện rộng, gần như đào xới cả hành tinh |
| Khoáng carbonat gần bề mặt | Chỉ một phần nhỏ áp suất cần thiết với các mỏ đã biết | Phải nung trên khoảng 300 °C; mỏ carbonat tìm thấy ít và rải rác |
| Carbonat chôn sâu | Chưa biết, có thể có nhưng không tiếp cận được | Nằm sâu hàng km, giải phóng cần năng lượng khổng lồ |
| Hợp chất băng chứa khí (clathrate) | Không đáng kể theo dữ liệu hiện có | Không ổn định ở điều kiện sao Hoả |
Các con số là cỡ độ lớn, làm tròn từ bài báo và thông cáo của NASA. Cộng các cách "khả thi" nhất, tổng áp suất chỉ đạt cỡ vài chục mbar, tức vài phần trăm áp suất Trái Đất, và nhiều khả năng vẫn dưới ngưỡng 63 mbar để con người không cần đồ áp suất.
Vì sao cần cỡ 1 bar CO₂
CO₂ là khí nhà kính khá "yếu" trên mỗi đơn vị khối lượng so với nhiều khí khác. Sao Hoả lại xa Mặt Trời, chỉ nhận khoảng 43% lượng ánh sáng Trái Đất nhận. Mô hình khí hậu cho thấy để đẩy nhiệt độ trung bình lên trên điểm đóng băng chỉ bằng CO₂ (cộng hơi nước sinh ra khi ấm lên), cần một khí quyển CO₂ cỡ bằng áp suất Trái Đất. Khoảng cách giữa vài chục mbar có được và khoảng 1.000 mbar cần có là hàng chục lần.
Hơi nước cũng không cứu được. Sao Hoả lạnh nên hơi nước đông lại nhanh, không tích đủ trong khí quyển để giữ nhiệt đáng kể khi chưa có cú đẩy ban đầu đủ mạnh.
Chỏm băng CO₂: phần dễ nhất mà vẫn nhỏ
Chỏm cực nam sao Hoả có một lớp băng CO₂ mỏng thường trực phủ trên băng nước. Năm 2011, radar SHARAD trên tàu Mars Reconnaissance Orbiter phát hiện một khối CO₂ đông lớn hơn nhiều, chôn dưới lớp băng nước. Khi tin này công bố, có người hy vọng đây là "kho" để cải tạo. Nhưng ngay cả khi bốc hơi toàn bộ, khối này cùng lớp phủ chỉ làm áp suất khí quyển tăng khoảng gấp đôi.
Mỗi mùa đông, một phần CO₂ trong khí quyển đông lại ở cực, rồi bốc hơi trở lại vào mùa xuân. Chu kỳ này làm áp suất toàn sao Hoả thay đổi khoảng một phần tư trong năm, một hiện tượng các tàu đổ bộ từ Viking tới nay đều đo được. Nó cho thấy cực sao Hoả đã đang trao đổi CO₂ với khí quyển, và lượng trao đổi đó nhỏ.
CO₂ đã đi đâu
Bằng chứng địa chất (lòng sông khô, đồng bằng châu thổ, khoáng sét) cho thấy sao Hoả hơn ba tỷ năm trước từng có nước lỏng chảy, nên nhiều khả năng từng có khí quyển dày hơn nhiều. Dữ liệu của MAVEN, tàu tới sao Hoả tháng 9/2014 và do chính Jakosky dẫn dắt, cho thấy phần lớn khí đó đã mất ra vũ trụ: bị gió Mặt Trời bóc mòn, bị va chạm thiên thạch thổi đi, thoát dần qua hàng tỷ năm. Phần còn lại chôn trong đá carbonat có vẻ ít hơn nhiều so với hy vọng trước đây.
Nói cách khác, phần lớn "nguyên liệu" không còn nằm trên sao Hoả. Nó đã tan vào không gian.
Phản biện và giới hạn của nghiên cứu
- Chỉ tính CO₂ có sẵn: bài báo không nói sao Hoả không thể cải tạo bằng mọi cách, mà nói không thể bằng cách giải phóng CO₂ của chính nó. Các phương án như khí siêu nhà kính nhân tạo, hạt nano, nhập vật chất từ sao chổi nằm ngoài phạm vi phân tích.
- Kho chưa biết: lượng carbonat chôn sâu chưa đo được. Một số nhà nghiên cứu, trong đó có những người lâu năm ủng hộ cải tạo sao Hoả như Robert Zubrin và Christopher McKay, đã phản hồi rằng kết luận có phần quá bi quan và các ước tính kho dự trữ còn sai số lớn.
- "Công nghệ hiện nay": tác giả nói về những gì làm được với công nghệ hiện tại và gần tương lai. Với công nghệ xa hơn nhiều, bài toán thay đổi.
Dù vậy, phần lớn giới khoa học hành tinh chấp nhận kết luận cốt lõi: kịch bản "đẩy một cái là sao Hoả tự ấm lên" không còn đứng được.
Nghiên cứu này thay đổi hướng đi thế nào
Sau năm 2018, các ý tưởng cải tạo sao Hoả rẽ sang hai hướng:
- Làm ấm không dựa vào CO₂: khí siêu nhà kính chứa flo (đã đề xuất từ trước), hạt nano kim loại (Ansari và cộng sự, 2024). Những cách này tính toán cho thấy hiệu quả trên mỗi tấn vật liệu cao hơn nhiều, nhưng chưa được thử.
- Cải tạo cục bộ: lớp aerogel silica (Wordsworth và cộng sự, 2019) để tạo vùng ấm có nước lỏng, không cần đổi cả khí quyển.
Cũng có tác động ngược: mục tiêu "người thở tự do ngoài trời" lùi ra xa hơn nữa, còn mục tiêu "vùng ấm cho vi sinh vật và cây trồng trong nhà kính" trở thành trọng tâm thực tế hơn.
Góc nhìn hôm nay
Bài năm 2018 là ví dụ đẹp của khoa học thực địa trả lời một câu hỏi đầu cơ: thay vì tranh cãi có nên cải tạo sao Hoả hay không, người ta đi đếm xem có đủ vật liệu không. Bài gốc có tên "Inventory of CO₂ available for terraforming Mars" (Nature Astronomy, 2018). NASA có thông cáo tóm tắt dễ đọc kèm hình minh hoạ các kho CO₂, tìm theo cụm "Mars terraforming not possible using present-day technology" trên trang nasa.gov.
Câu hỏi thường gặp
Có thể cải tạo sao Hoả bằng CO₂ có sẵn không?
Theo Jakosky và Edwards (Nature Astronomy, 2018), không thể với công nghệ hiện nay. Lượng CO₂ giải phóng được chỉ nâng áp suất lên cỡ vài chục mbar, trong khi cần cỡ 1 bar để làm ấm đủ cho nước lỏng. Nghiên cứu không loại trừ các cách khác như khí nhà kính nhân tạo.
CO₂ trên sao Hoả nằm ở đâu?
Chủ yếu trong băng CO₂ ở chỏm cực, bám trên hạt đất, và trong khoáng carbonat. Chỏm cực dễ giải phóng nhất nhưng chỉ gấp đôi áp suất hiện nay. Đất và đá chứa nhiều hơn nhưng phải nung nóng diện rộng, sâu, tốn năng lượng khổng lồ.
Vì sao sao Hoả mất khí quyển?
Sao Hoả nhỏ, mất từ trường toàn cầu từ rất sớm, nên gió Mặt Trời bóc mòn tầng khí trên cùng qua hàng tỷ năm. Va chạm thiên thạch và việc khí bị khoá vào đá cũng góp phần. Tàu MAVEN đo trực tiếp quá trình thoát khí này từ năm 2014.
Nghiên cứu năm 2018 có bị phản bác không?
Một số người ủng hộ cải tạo sao Hoả cho rằng kết luận quá bi quan vì lượng carbonat chôn sâu chưa biết rõ. Nhưng kết luận cốt lõi, rằng CO₂ dễ giải phóng không đủ để tự cải tạo, được phần lớn giới khoa học hành tinh chấp nhận.
